数字电视基础知识培训有线电视网络技术培训班

2010年全疆广播影视系统

有线电视网络技术培训班

数字电视技术原理教学目的数字电视技术作为广播电视的第二次革命，目前已广泛应用于广播电视系统的各个领域，从节目制作、播出的电视台、电台到节目传输的节传中心、网络公司等广电系统的各个台站都已实现广播电视的数字化。本课程的目的是通过系统地讲解数字电视关键技术的理论知识，并结合实际应用，进一步提高工程技术人员数字电视理论水平，系统地掌握数字电视的组成结构和关键技术。教学重点与难点1、数字电视的概念2、数字电视系统组成结构3、数字化的三要素4、信源编码技术（编码算法）5、传输流及复用技术6、信道编码技术8、调制技术数字电视技术课程安排第1章：数字电视概述（计划时间0.5小时）第2章：数字电视编码技术（信源编码）计划时间（1.5个小时)第3章：传输码流及其复用技术(0.5个小时)第4章：信道编码、调制技术（计划1个小时）参考书数字电视基本原理（机械工业出版社）数字电视基础—

视频和音频系统的设计与安装（人民邮电出版社）数字电视技术原理

第1章数字电视概述本章要点●了解数字电视的概念、优点。●了解数字电视系统结构框图。●了解数字电视的标准。●了解数字电视的核心技术。模拟电视系统的特点

在电视信号的制作处理、控制调节、记录重放、调制解调、传输转播、接收显示等过程中，图像信号和伴音信号都是在时间轴上和振幅轴上连续变化的模拟信号。模拟电视最明显的缺点是接力传输方式产生噪声，长距离传输的信噪比恶化，使图像清晰度越来越受到损伤；发送传输设备中，放大器的非线性积累使图像对比度产生越来越大的畸变；相位失真的积累产生色彩失真，使“鬼影”现象愈来愈严重。同时，模拟电视还具有稳定度差、可靠性低、调整繁杂、不便集成、自动控制困难等。

数字电视的概念与优势数字电视的概念数字电视是指包括节目摄制、编辑、发送、传输、存储、接收和显示等环节全部采用数字处理的全新电视系统，也可以说数字电视是在信源、信道、信宿三个方面全面实现数字化和数字处理的电视系统。“数码彩电”：在现有模拟电视广播制式下，在接收机内部的电路设计、信号处理中使用了一些数字技术，将接收的模拟电视信号部分地进行了数字化处理，改进和提高现有彩电的图像及伴音质量，既不能接收数字电视信号，也不能按数字电视显示格式显示图像。它不是真正意义上的“数字电视”接收机，本质上仍然是模拟电视。

(1)抗干扰能力强、无噪声积累。模拟信号在传输的每个环节，都要加入噪声，如放大器，每级放大器的噪声都要加进去，放大后信号大了，C/N低了。数字信号是一连串的“0”和“1”脉冲序列，在传输过程中，侵入的噪声可以通过再生的方法去除。所谓再生处理，就是收到信号后，不是直接放大，而是重新在有脉冲的位置制作一个形状完全相同的脉冲，恢复信号中脉冲的原样而清除了噪声。再生是基带数字传输抗干扰的重要手段。其次，数字传输技术有非常有效的纠错方式，如我们使用的R-S纠错，可以把误码率由10E-4改善到10E-12。所以，我们收看数字有线电视时，主观感觉最为明显的是画面清洁，没有杂波、雪花。(2)便于加密处理。(3)便于存储、处理和交换。(4)频谱资源利用率高：由于采用压缩率非常高的MPEG-2压缩方法，使码率降低很多，加上采用高效率的调制方式，可以在一个8Mhz的带宽里传送6套以上质量达到标准清晰度（SDTV）的节目。(5)节省发送功率，覆盖范围广：数字信号对C/N的要求也比模拟信号宽容。模拟信号C/N=43dB时可以得到4分的收看质量。数字电视C/N=31dB就可以满意收看。事实上，整个网络中，数字信号的功率电平就是以比模拟电平低10dB来传输的。(6)设备便于集成化、微型化。(7)便于构成综合业务数字网。

数字电视的优点数字电视设设备和技术术数字电视是是一个大系系统，从横横向来说由由以下四个个方面组成成：数字电视节节目制作的的设备主要有：数数字摄像机机、数字录录像机、数数字特技机机、数字编编辑机、数数字字幕机机和非线性性编辑系统统等；数字信号处处理的技术术有：压缩编编码和解码码技术、数数据加扰和和解扰、加加密和解密密技术等；；信号传输的的方式有：地面无无线传输、、有线(光缆)传输、卫星星广播等；；用于显示的的设备有：阴极射射线管显示示器(CRT)、液晶显示示器(LCD)、等离子体体显示器(PDP)、投影显示示(包括前投、、背投)等。显示器器是最终体体现数字电电视效果或或魅力的产产品。从纵向来说说，是物理理层传输协协议、中间间件标准、、信息表述述、信息使使用、内容容保护等一一系列的系系统问题。。其中信源编／解解码技术、、传送复用用技术、信信道编／解解码技术、、调制／解解调技术、、中间件技技术、条件件接收、大大屏幕显示示技术。数字电视系系统结构框框图（1）信源编码和和压缩编码码：设法减少少原始数字字视频、音音频和各种种辅助数据据流的比特特率。（2）复用：将数字化化的数据流流分割成许许多信息包包，并标识识各种信息息包及类型型，将视频频数据流、、音频数据据流和辅助助数据流复复用成一个个单一的复复用数据流流。（3）信道编码和和调制：信道编解解码是负责责传输误码码的检测和和校正的环环节，调制制解调是负负责信号变变换和频带带搬移的环环节；（4）传输信道：可以是广广播电视系系统（如地地面、卫星星或有线电电视广播系系统），也也可以是电电信网络系系统，或存存储媒介（（如磁盘、、光盘等））；（5）接收机：包括解调调、信道解解码、解复复用、视频频、音频和和各种辅助助数据流的的解码和终终端显示等等。广电一体化化的数字电电视系统非线编录像机摄像机信号源切换台CASIEPG复用业务集成

接收卫星有线网地面无线接入互联网接入视频压缩编码音频压缩编码数字电视系系统卫星传输卫星直播有线干线网有线接入网互联网无线网通信网传输网络加密用户管理网络管理

BOSS

PSI/SI监控监测收费系统管理系统非线性编辑后期制作硬盘播出节目库台内网电视台、电台资产管理家用网中间件机顶盒硬件

xDSLCableMod.应用软件以太网卡无线接入数字电视的的主要功能能免费基本数数字电视业业务按频道付费费的数字电电视业务（（PPC等）VOD视频点播业业务按次/时间付费的的数字电视视业务（IPPV、IPPT等）增强电视节节目（EPG、电视广告告等）数据广播业业务其它业务（（音乐、游游戏、远程程教育、双双向互动业业务）……数字电视产产业的发展展趋势随着HDTV技术、双向向交互式数数字电视技技术、IPTV技术、移动动电视与手手机电视技技术在数字字电视领域域的应用，，目前的数数字电视产产业技术上上可以实现现以下功能能：标准清晰度度电视和高高清晰度电电视单向广播、、双向交互互固定接收、、移动接收收和手持接接收有线数字电电视系统示示意图广播电视数数字化与三三网融合国家“十一一五”规划划明确指出出：要“加加强宽带通通信网、数数字电视网网和下一代代互联网等等信息基础础设施建设设，推进三三网融合””。三网融合的的基础是下下一代通信信网、互联联网和数字字电视网。。传统电信网网、计算机机网主要指指因特网和和有线电视视网正通过过各种方式式趋向于相相互渗透和和融合,它涉及技术术、业务、、市场、行行业、终端端、网络乃乃至行业管管制和政策策等方面。。三网融合合表现为技技术上趋向向一致,网络层上可可以实现互互联互通,业务层上互互相渗透和和交叉,应用层上趋趋向使用统统一的协议议,行业管制和和政策方面面也逐渐趋趋向统一。。在未来通信信中,数字化是基基础,个性化、综综合化是目目标,宽带化、多多媒化、软软件化与智智能化是实实现的主要要手段。TV为核心的家家庭网络结结构ADSLmodem2M4MADSLPOTSBluetoothBluetoothWebpadKitchenmateGamesplayerUSB1394EmailphoneBluetoothSatelliticTerrestrialOpenworldPDRA/VOutRFSTBADSLPCHUBAPBluetoothEthernet100B/TA/Vin/outHi-FiD-VCRCamcorder(POTS)USBCameraPrinterCable习题什么是数字字电视？与与模拟电视视比有哪些些优点?简述数字电电视系统的的组成及其其关键技术术？什么是三网网融合？第2章数字电视视编码技术术

（信源源编码）本章要点●了解模拟拟信号和数数字信号的的特点●各种电视视信号的格格式和简介介●熟悉模拟拟信号数字字化的基本本过程。●熟悉电视视图像信号号的压缩编编码方法。。●熟悉音频频信号压缩缩编码方法法。数字化的应应用中发现现的问题1、视频信号号质量影响响编码后的的数字信号号视觉效果果。（数字字量化导致致的）2、数字化后后视频信号号受带外干干扰。（抽抽样频率和和干扰源频频率接近导导致的）3、码率压缩缩太低，造造成画面出出现块效应应。4、视频和音音频不同步步—口形对不上上。2.1模拟信号与与数字信号号的区别模拟信号的的特点特点是幅度度连续(连续的含义义是在某一一取值范围围内可以取取无限多个个数值)。图2－2(a)所示的信号号是模拟信信号，其其信号波形形在时间上上也是连续续的，因此此它又是连连续信号。。图2－2(b)所示的信号号是对图(a)所示的模模拟信号按按一定的时时间间隔T抽样后的抽抽样信号，，由于其波波形在时间间上是离散散的，它它又叫离散散信号。但但此信号的的幅度仍然然是连续的的，所以仍仍然是模拟拟信号。电电话、传真真、电视信信号都是模模拟信号。。数字信号的的特点数字信图2－３是数字字信号，其其特点是幅幅值被限制制在有限个个数值之内内，它不是是连续的而而是离散的的。图2－３(a)是二进码码，每一一个码元元只取两两个幅值值(0，A)：图(b)是四进码码，每个个码元取取四(3、1、－1、－3)中的一个个。这种种幅度是是离散的的信号称称数字信信号。2.1.3.模拟信号号数字化化模拟信号号的数字字化过程程称为脉冲编码码调制PCM（PulseCodeModulation）PCM的三个步步骤是：：抽样：在时间间域离散散化处理理量化：在取值值域离散散化处理理编码：在时间间域和取取值域都都离散抽样是指指用每隔隔一定时时间的信信号样值值序列来来代替原原来在时时间上连连续的信信号，也也就是在在时间上上将模拟拟信号离离散化。。量化是用用有限个个幅度值值近似原原来连续续变化的的幅度值值，把模模拟信号号的连续续幅度变变为有限限数量的的有一定定间隔的的离散值值。编码则是是按照一一定的规规律，把把量化后后的值用用二进制制数字表表示，然然后转换换成二值值或多值值的数字字信号流流。在编码处处理方式式上分为为两种：信源编码码—编码器中中实现信道编码码—调制器中中实现这样得到到的数字字信号可可以通过过电缆、、微波干干线、卫卫星通道道等数字字线路传传输。。在接收收端则与与上述模模拟信号号数字化化过程相相反，再再经过后后置滤波波又恢复复成原来来的模拟拟信号。。编码器原原理1.各种电视视信号的的格式和和简介2.视频基本本流结构构3.取样频率率和取样样结构4.量化位数数和量化化等级的的分配2.2视频信号号数字化化

彩色空间转换矩阵复合编码器AtoDConv串行器RGB270MHzYR-YB-Y6.75MHz

SampleRateforB-Y

andR-Y13.5MHz

Sample

RateforY串行器ClockX10ITU-RBT.601-2

SerialDigital

Component

270Mb/secYR-YB-Y10BitsParallelITU-RBT.601-2

ParallelDigitalComponent

27MB/secSerialDigitalComposite

143Mb/sec(NTSC)177Mb/sec(PAL)ParallelDigitalComposite

PAL=17.7MHz

NTSC=14.3MHzMultiplexed27MB/sec

B-Y/Y/R-Y/Y/B-Y/Y

10BitsParallel4Fsc

(PAL=17.7MHz)

(NTSC=14.3MHz)Component

AnalogVideo

(RGB)Analog

Composite

Video

(PAL/NTSC)MPEG2

Program

EncoderDVD

DigitalVersatile

(Video)DiskAtoD

ConvAudioColorDifference

Component

AnalogVideo

(Y,B-Y,R-Y)MPEG2

Protocol

TransportStreamTransmission

Channel

TxTransmission

Channel

RxMPEG2

Program

DecoderMPEG2

Protocol

TransportStreamTransmissionChannelAnalysisSDH,ATM,SONETorModulatedRFSignals.MPEG2

Protocol

AnalysisPicture

Quality

AnalysisITU-RBT.601-2SerialDigital

Component270Mb/secMPEG2

Protocol

ProgramStreamDataDataAnalogComposite

Video(PAL/NTSC)AtoD

ConvAtoD

Conv2.2.1各种种电视信信号格式式的产生生模拟分量模拟复合数字复合数字分量MPEG电视信号号的简介介信号名称信号简介模拟模拟复合信号2个色差信号经正交调幅后与亮度信号频率合成，缺点是彩色分辨率低、有亮色串扰亮色分离信号Y/C2个色差信号经正交调幅后单独传输，避免了亮色串扰，缺点是彩色分辨率低。俗称“S端子信号”模拟分量Y/Cr/Cb信号亮度Y、色差Cr、色差Cb独立处理和传输，彼此之间无串扰，彩色分辨率可以达到亮度的1/2模拟分量R/G/B信号R、G、B三基色信号独立处理和传输，彼此之间无串扰，而且都有最高的分辨率数字数字复合信号由模拟复合信号直接A/D变换而来。早期在从模拟复合系统直接向数字系统过渡时使用。信号质量受模拟复合信号源质量的限制。数字分量信号可由模拟分量Y/Cr/Cb信号经A/D变换得到。既适用于从模拟复合系统直接向数字系统过渡，也是全数字电视系统及全数字设备的标准信号源。NTSC和PAL两种制式式的参数数比较三基色原原理自然然界中的的任何颜颜色有R、G、B三种颜色色按照不不同比例例组成。。为了实现现黑白电电视和彩彩色电视视的兼容容，将信信号编码码为亮度度信号Y和两个色色差信号号Cr和Cb。：参数PALNTSC扫描625行525行行帧15625Hz15734Hz帧频25Hz29.97Hz场频50Hz59.94Hz彩色副载波4.43MHz3.58HzMPEG-2的编码流流程①输入一一个I帧、P帧或B帧；②在B帧或P帧的情况况下进行行运动预预测补偿偿；③进行88像素的DCT变换；④变换系系数被量量化(量化级安安排依赖赖于可用用的比特特率)；⑤完成变变字长编编码，实实现比特特率的缩缩减。MPEG-2的解码流流程是MPEG-2的编码流流程的反反过程。。DCT

量化游程编码与VLC编码反DCT，反量化与帧贮存反馈I-画面

输出

(固定速率)之字形扫描参考画面信息4:2:0输入缓存+_P或B-画面

MPEG-2的编码器简化框图视频基本本码流(ES)层次结构构分成6个层次：：视频序列列层(Sequence)，图像组组层（GOP），图像像层，像像条层，，宏块层层，像块块层视频序列列实际上上是节目目的随机机进入点点；而GOP则是视频频编辑的的随机进进入点；；图像（（或帧））是编码码处理的的单位；；像条是是用于同同步的单单位；宏宏块是运运动补偿偿处理的的单位；；像块则则是DCT处理单位位。

图像组

8×8

图像组宏块条宏块块图像组图像视频序列视频基本本码流ES层次结构构宏块结构构（a）4：4：4（b）4：2：2YCBCRYCBCR56

123(c)4：2：0YCBCR4图像序列列层：在起始码码后是序序列头，，包括了了图像尺尺寸，宽宽高比，，图像速速率等信信息。在在序列头头后面总总是跟着着包含附附加数据据的序列列扩展数数据。为为了确保保能在不不同的时时间随时时进入视视频序列列，MPEG-2允许重复复发送序序列头。。序列层层结束在在序列结结束码(SEQEC)。图像组层层：图像组是是指相互互间有预预测和生生成关系系的一组组图像。。在起始始码后面面是可选选的GOP头，包括括了时间间信息，，但这一一信息并并不是解解码中实实际使用用的信息息，即便便丢失，，解码也也可以继继续进行行。分成成图像组组的一个个目的是是在同一一序列内内可随时时进入不不同的图图像。一般情况况下0.5s内必须传传一次I帧，因此此对于PAL制，一个个GOP通常包含含12帧，常见见的结构构为IBBPBBPBBPBB.由于B帧为未来来帧，作作为预测测参考帧帧，因此此视频码码流的传传输要有有利于解解码器的的解码，，在传输输B帧之前，，传I帧或P帧。图像层：：它包括了了不同种种类编码码的图像像。在MPEG–2中图像分分成三种种编码类类型：帧帧内编码码I帧；双向向预测编编码的图图像称为为B帧；前向向预测编编码的图图像称为为P帧。I帧只进行行帧内压压缩，是是作为预预测基准准的独立立帧，具具有较小小的压缩缩比。由由I帧前向预预测产生生的P帧具有中中等压缩缩比，并并与I帧一起成成为B帧的预测测基准。。由此产产生的B帧则具有有最高的的压缩比比。逐行扫描的图图像只能是帧帧格式，隔行行扫描的图像像可以使帧格格式，也可以以使场格式。。像条层：图像层下面是是像条层(slice)。每一个像条条包括一定数数量的宏块，，其顺序和行行扫描顺序一一致。像条可可以从一个宏宏块行(16行宽)的任何一个宏宏块开始。在在MPEG-l中，像条可以以包括多个宏宏块行，但在在MPEG-2MP＠ML中一个像条必必须在同一宏宏块行中起始始和结束。一一个像条至少少应包括一个个宏块。像条条是最低的比比特流级别，，即一旦因误误码失步可以以根据起始码码重新同步。。起始码对以以上各层都是是相同的。宏块层：像条层下面的的是宏块层(Macroblock)，宏块层已是是整个结构的的最下层。最最前面是宏块块层说明，表表示用什么编编码模式，后后面是运动矢矢量以及16×16位数据。像条条的第一个宏宏块中包含了了绝对运动矢矢量值，而其其他宏块包含含的是前面宏宏块运动矢量量的差值。一一个宏块包括括亮度分量和和空间位置上上相对应的色色度分量。MPEG-2定义了三种宏宏块结构。这这三种结构为为：4:2:0宏块；4:2:2宏块和4:4:4宏块，分别包包括6，8，16个像块，实际际上对应于三三种亮度和色色度的采样格格式。4:2:2中每隔一个像像素对色差信信号采一次样样。4:2:0每隔一行对两两个色差信号号采一次样，，每采样行中中，每隔一个个像素对两个个色差信号采采样一次。尽尽管像块是最最低一层，但但从数据结构构来说除了有有块结束码外外，已无结构构描述码，因因此把宏块作作为结构的最最下层。像块层：在MPEG-2中，块“Block””可以是8×8样值，既可称称为像块，也也可以是8×8DCT系数或重组数数据，这时应应称为系数块块或数据块。。它是亮度信信号、两个色色差信号之一一。所有上述各个个层次都与一一定的信号处处理有关。如如视频序列实实际上是节目目的随机进入入点；而GOP则是视频编辑辑的随机进入入点；图像（（或帧）是编编码处理的单单位；像条是是用于同步的的单位；宏块块是运动补偿偿处理的单位位；像块则是是DCT处理单位。抽样把模拟信号变变成数字信号号时，先用一一个周期为T的窄脉冲流对对模拟信号幅幅度进行抽取取,把时间上连续续变化的模拟拟信号变成时时间上离散的的信号。打个比方：气气温是逐渐变变化的，每时时每刻都在变变化，因而它它是随时间连连续变化的模模拟量。但观观测气温不必必每分每秒都都测量，隔一一定时间测一一点画在坐标标图上，连一一条线，就表表示了气温的的变化。如果果时间间隔合合适，这条线线的形状与连连续不间断测测量的曲线形形状会基本吻吻合，即，用用离散量可以以表示连续的的模拟量。这这种间隔测量量的方式，叫叫做在连续变变化的模拟量量上的取样。。这是把模拟拟信号数字化化的第一步。。图（a）是时间上连连续变化的模模拟信号f（t）；图（b）是抽样脉冲冲序列；图（c）是抽样后的的信号fs（t）(d)(e)(f)相应的频谱。。抽样频率的选选择原则首先的原则是是能基本如实实的代表原来来的连续模拟拟量。间隔太太远了要漏去重重要的信息，，比如测气温温，最高气温温出现在每天天的14：00，取样间隔太太大，偏偏漏漏掉了14：00，就会发生大大错。因而，取样间间隔与信号性性质有关，要要符合奈奎斯斯特定理：即即取样频率要大于于信号最高频频率的二倍。。这样抽取的的样值就包含含了原来模拟信号号的全部信息息而不遗漏。。取样的实现也也简单，让信信号经过一个个电子开关，，开关每秒钟接通13.5M次（当然每次次接通时间都都很短），就就实现了在模拟信号中每每秒取13.5M个离散了的样样值。这些样样值，不再是是连续的了。取取样的结果，，仅是把模拟拟信号进行时时间上的离散散。抽样频率fS的选择要考虑虑以下3个条件：（1）满足奈奎斯斯特准则：fS>2fm，不产生混失失真。fs=（2.2～2.7）fm；fm=5.8-6MHz；fs≥12.76～13.2MHz（2）需要有正交的的样值结构：：应取行频的整整数倍使抽样样样点位置形成正交交结构使行与与行、帧与帧帧之间的样点点位置都能对对齐，称为正交结结构。fs=mfH,m为整数。（3）兼顾不同的扫扫描制式。量化量化：将抽样样的样值变为为幅度上离散散的有限个二二进制信号。。抽样使时间上上连续的信号号变为离散信信号，量化又又使幅度上的的连续变为离离散。图中Q代表量化间距距；n,n+1，……代表量化电平平的级序。例例如，n指的位置表示示量化电平为为nQ。量化间距都相相等，称为均均匀量化或线线性量化。量量化后的样值值电平与原来来的模拟信号号电平之间有有误差，称为为量化误差。。量化过程是一一个有损处理理过程，会引引入量化失真真，在重构图图像上增加块块效应。技术参数标清电视SDTV高清电视HDTV分辨率每帧576有效行每行720有效像素每帧1080有效行每行1920有效像素宽高比4/316/9扫描方式50场/秒隔行扫描信号源标准：50场/秒隔行扫描;制作和交换：24帧/秒逐行扫描图像码率（不压缩）270Mbps取样频率X量化比特数=13.5MHzX10bit=135Mbps2个色差信号的码率为2X6.75MHzX10bit=135Mbps

SDTV的总码率为亮度信号码率+2个色差信号码率=135Mbps+135Mbps=270Mbps1.5Gbps亮度信号的码率为取样频率X量化比特数=74.25MHzX10bit=742.5Mbps2个色差信号的码率为X37.125MHzX10bit=742.5MbpsHDTV的总码率为亮度信号码率+2个色差信号码率=742.5Mbps+742.5Mbps=1485Mbps标清电视和高清晰度电视视信号的比较较串行数据接口口SDI串行数字复合合信号的图像像质量仍受制制于彩色电视视编码。SDI信号指符合ITU-RBT601建议的数字视视频信号。我我国已将该建建议等同为国国家标准GB/T17953-2000，其中规定了了比特并行和和比特串行两两种接口信号号格式。并行数字分量量信号因传输输距离短及采采用25针“D”型接插件连接接，给系统检检修带来诸多多不便，实用用性不强。因因此串行数字字分量信号已已成为当前数数字演播室普普遍采用的格格式。对SDI信号而言，它它是一种10bits字长的复用数数据流，以27MS/s的符号率传送送，即它的传传输速率为270Mb/s。2.3数字电视的信信源编码1.数字视频信号号压缩的必要要性2.常用的数字视视频编码方式式3.MPEG2标准2.3数字电视的信信源编码数字视频信号号压缩的必要要性电视信号数字字化后易与计计算机结合,因而有很多优优点，如方便便存储和复制制、信号处理理多样化、提提高信号质量量和抗干扰能能力强。问题：数据量量大，要求大大容量存储器器，传输数据据率高（270Mb/s）。4：2：2采样，10bit量化的一帧图图象数据量为为：（13.5×10+2×6.75×10）/25=10.8Mb=1.35MB1GB硬盘存：1GB/（1.35MB*25帧）=29.6s的节目结论：要使数数字电视信号号适合于实际际存储和传输输，必须压缩缩数据量，降降低传输数据据码率。前提：压缩后后图象质量保保证满足要求求。数字视频信号号压缩的可行行性视频数据压缩缩的可行性来来自两个方面面：一是视频频信号中存在在大量冗余度度可供压缩，，并且这种冗冗余度在解码码后还可无失失真地恢复；；二是利用人人的视觉特性性，在不被主主观视觉察觉觉的容限内，，通过减少表表示信号的精精度，以一定定的客观失真真换取数据压压缩。视频信号的编码方式：复合编码（compositevideo）：将彩色全电视视信息直接编编成PCM码，变成一个个数字复合电电视信号分量编码（componentvideo）：将亮度信号Y，色差信号R-Y和B-Y分别编码成三三个数字分量量电视信号二者比较：“复合编码””与电视制式式有关“分量编码””与电视制式式无关在节目后期制制作中：““复合”需解解码“分量”无需需解码传输时：“复复合”由于频频分复用，产产生亮，色串串扰“分量”采用用时分复用，，无亮，色串串扰压缩编码方法法1)利用图象时间间的相关性与与时间冗余度度的压缩电视图象中相相继各帧对应应象素点的值值往往相近或或相同，具有有时间相关性性，找出这些些相关性就可可以减小信息息量，从而实实现与时间有有关的压缩。。2)利用图象空间间的相关性与与空间冗余度度的压缩一幅图象相邻邻各点的取值值往往相近或或相同，具有有空间相关性性，找出这些些相关性就可可以减少信息息量，从而实实现与空间有有关的压缩。。3)利用事事件的的统计计特性性与统统计冗冗余度度的压压缩对经常常出现现的数数据用用短码码组表表，对对不经经常出出现现的数数据用用长码码组表表示，，则最最终用用于表表示这这一串串数据据的总总码位位就减减少了了。从从而实实现与与统计计冗余余有关关的压压缩。。4)利用人人眼的的视觉觉特性性与视视觉冗冗余度度的压压缩人眼的的视觉觉特性性：对对亮度度信号号比对对色度度信号号敏感感对低频频信号号比对对高频频信号号敏感感对静止止图象象比对对运动动图象象敏感感对图象象中水水平和和垂直直线条条比对对斜线线条敏敏感包含在在色度度信号号、图图象高高频信信号和和运动动图象象中的的一些些数据据并不不能对对增加加图象象相对对于人人眼清清晰度度作出出贡献献，而而被认认为是是多余余的数数据，，这就就是视视觉冗冗余度度。压缩视视觉冗冗余度度就是是去掉掉那些些相对对人眼眼而言言是看看不到到的或或可有有可无无的图图象数数据。。基本的的图象象压缩缩编码码技术术1)分类冗余度度压缩缩技术术，无无损伤伤压缩缩技术术，无无失真真，数数学上上可逆逆。即即它是是可还还原的的。信息量量压缩缩技术术，有有损伤伤压缩缩技术术，有有失真真，数数学上上不可可逆。。即它它是不不可还还原的的。2)基本压压缩编编码方方法预测编编码（（DPCM）——差分脉脉冲编编码调调制DPCM不直接接传送送图象象样值值本身身，而而是对对实际际样值值与它它的一一个预预测值值之间间的差差值进进行再再次量量化、、编码码。这种方方法可可消除除图象象信号号的空空间相相关冗冗余帧帧内预预测））和时时间相相关冗冗余（（帧间间预测测）。。利用用象素素的相相关性性还可可进一一步减减小差差值。。运动预预测I帧B帧P帧全帧编码利用I帧的运动矢量对球编码只有运动被编码球取自I帧和P帧（双向）膝取自P帧运动矢矢量运动矢矢量加加于图图像上上离散余余弦变变换（（DCT）变换编编码的的基本本思想想是，，把空空间域域描写写的图图象变变换到到一个个正交交的变变换域域简单单描写写。空空间域域的一一个N×N个象素素的像像块正正交变变换后后，在在变换换域变变成N×N变换系系数块块。原原象素素块的的象素素间相相关性性很强强,变换系系数近近似统统计独独立，，能量量集中中在直直流和和少数数低频频系数数上，，降低低相关关性(冗余度度)。DCT(DiscreteCosineTransform)是数码码率压压缩的的一种种常用用的变变换编编码方方法。。DCT是先将将整体体图像像分成成NN像素块块，然然后对对NN像素块块逐一一进行行DCT变换（（时域域到频频域的的变换换，利利用频频谱的的特性性传输输图像像信息息）。。由于于多数数图像像高频频分量量较少少，相相应图图像高高频分分量的的系数数经常常为零零，加加之人人眼对对高频频成分分的失失真不不太敏敏感，，所以以可用用更粗粗的量量化。。因此此传送送变换换系系数数的数数码码率率，，要要大大大大小小于于传传送送像素素所用用的的数数码码率率。。到到达达接接收收端端后后通通过过反反离离散散余余弦弦变变换换回回到到样样值值。。虽虽有有失失真真，，但但人人眼眼是是可可以以接接受受的的。。去空空间间相相关关性性变换换编编码码系系统统框框图图分块DCT变换量化编码解码反量化反DCT变换消除分块输入数据接收输出信道DCT分块块90blocks(720pixels)72blocks(576pixels)8pixels1DCTblockYsignalinoneframe8pixels8××8亮度度块块的的DCT变换换、、量量化化例例

0i70u7j7av7

量化

DCT变换

0u70u7v798929580758268509791947974816749958992777279654793879075707763459185887368756143898386716673594187818469647157398579826762695537591106-1828-3414183350000000-1000000030000000-1000000000000000-10000000000000004010-22–100030000000000000000000000000000000000000000000000000000000bc8××8亮度度块块的的DCT反变变换换、、反反量量化化处处理理例例

d反量化后的DCT系数e重建的像素样值f重建样值与原始值之差

591110–2032–24000360000000000000000000000000000000000000000000000000000000

98979081807967509796898079786649959487787777644793928576757462459089827472725943888780717069574086857870686855398584776967675438

0–55–1–53100–55–1–53100–55–1–52100–55–1–53101–46–1–43201–460-44211–46–1–43200–55–2–521-1de

f

DCT变换例922-150-25-5-6-12-6-1-208-10624133-29312-32-1-20-191-3-633320-5-4212000-4651421-11-24-1143010230-3-1DCT52100000000000000000000000000000000000000000000000000000000-158-4-100100DCT之字字形形扫扫描描是是从从左左上上角角的的直直流流（（DC）系系数数开开始始，，沿沿之之字字形形路路径径扫扫描描到到右右下下角角，，将将量量化化后后的的二二维维系系数数转转换换为为一一维维数数据据序序列列，，以以便便后后面面进进行行熵熵编编码码。。优点点：：大大多多数数图图象象信信号号的的DCT系数数从从左左上上角角到到右右下下角角，，由由低低频频到到高高频频排排列列，，因因此此采采用用之之字字形形扫扫描描得得到到的的一一维维数数据据序序列列中中，，会会出出现现很很多多连连零零的的数数据据，，有有利利于于游游程程编编码码。。尤尤其其在在序序列列最最后后，，如如果果都都是是零零，，可可用用专专门门符符号号结结束束，，或或记记为为EOB。之字字形形（（Zig-Zig）扫扫描描231-74-12-1-1-2-10-102-5101000-137000000-400-100000-1-1000000-11000000000000000000000Zig-zag扫描231-74-12-1-1-2-10-102-5101000-137000000-400-100000-1-1000000-11000000000000000000000EOB(EndOfBlock)EOBEOBistransmittedinsteadofzeros游程长度度编码（（RunlengthEncoding）是指一个个码可同同时表示示码的值值和前面面有几个个零。在在用之字字形读出出方式情情况下，，出现连连零的机机会较多多，尤其其在最后后，如果果都是零零，在读读到最后后一个数数后只要要给出““块结束束”（EOB）码，就就可以结结束输出出，从而而节省很很多码率率。通常，DCT系数量化化之后，，都采用用之字形形方式读读出。霍夫曼（（Hoffman）编码霍夫曼(Hoffman)编码(属于统计计编码)是可变字字长编码码(VLC:Variable-LengthCoding)的一种，，相当于于对概率率大的符符号给短短码，对对概率小小的符号号给长码码。霍夫曼编编码示例例符号概率码字码长X10.2010012X20.1900.39002X30.181111113X40.1700.3511103X50.15100.611013X60.10100.261004X70.005100.11100015X80.00500.01100005对于霍夫曼编码，首先应知道信源符号的概率分布，而各种信源符号的概率分布是不同的。通常是利用查表的方法，根据信源数据符号直接查出相应的码字。所用的码表是根据概率分布并对大量典型图像素材进行统计制成的。1.信源编码码标准的的简介2.MPEG2视频编码码的“级级”与““类”3.图像数据据压缩的的概念和和方法视频编码码的主要要特点视频压缩缩编码简简介信源编码码标准1)第一代视视频压缩缩编码主主要包含含:静止图片片的JPEG;活动图像像的MPEG-1(用于VCD、光盘存存储、视视频监控控等)、MPEG-2(用于数字字电视、、有线电电视、卫卫星电视视以及HDTV等);面向通信信的H.261(用于ISDN视频会议议等)、H.263(用于POTS(传统电话话业务)视频电话话、桌面面视频电电话、移移动视频频电话等等)。(2)第二代视视频压缩缩编码主主要包含含:静止图片片的PEG2000(用于移动动通信中中的静止止图片、、数字照照相与打打印、电电子商务务等);活动图像像的MPEG-4(用于交互互式视频频、因特特网、移移动视频频、2D/3D计算机图图形等),适用于多多媒体技技术的MPEG-7和MPEG-21;基于H.363和MPEG-4基础上改改进、融融合并适适用于多多媒体通通信的H.264。第一代视视频编码码是基于于图像基基本单元元像素、、基于信信源客观观统计特特性的压压缩编码码。而第第二代视视频编码码不仅基基于信源源客观统统计特性性,更重要的的是基于于对象、、基于语语意内容容的主、、客观冗冗余。其其编码的的基本单单元不再再是像素素,而是包含含纹理、、形状和和运动的的3类信息的的对象。。它具有有可操作作、可编编辑、可可选择等等一系列列交互多多媒体技技术的特特点。a）MPEG-2的类与级级1、MPEG-2有4种输入格格式，称称为级(Levels或等级)。从有限清清晰度的的VHS(家用录像像系统)质量图像像直到HDTV图像，每每一种输输入格式式编码后后都有一一个相应应的范围围。除了在源源格式提提供这种种灵活性性之外，，MPEG-2还有不同同的处理理方法，，称为类类(profiles或层面)，每一类类都包括括压缩和和使用方方法的一一个集合合。不同的类类意味着着使用不不同集合合的码率率压缩工工具。2、MPEG–2共分６类类，较高的类类编码更更精细，，而且每每升高一一类将提提供前一一类没有有使用的的附加工工具。甲）简单类(SP)乙）主类(MP)丙）信噪比可可分级类类SNRP丁）空间可分分级类SSP戊）高级类(HP)己）４：２：：２格式式在主类上上的类是是信噪比比可分级级类(SNRP)、空间可可分级类类(SSP)、高级类类和4:2:2格式。这这允许将将编码的的视频数数据分为为基本层层和另一一个或更更多的上上层信号号。基本本层表示示编码图图像的基基本数据据但代表表的图像像质量较较低。上上层信号号则可用用来改进进信噪比比或清晰晰度。b）图像的的4个级别：：甲）低级(LL：LowLevel)的输入格格式的像像素是ITU-R601格式的1/4，即352××240×30(代表图像像帧频为为每秒30帧，每帧帧图像的的有效扫扫描行数数为240行，每行行的有效效像素为为352个)或352××288×25，相应编编码最大大输出码码率为4Mb/s。乙）主级(ML：Mainlevel)：输入入格式式完全全符合合ITU-RRec.601格式，，720×480×30或720×576×25，输出出最大大码率率除高高级类类和4:2:2外是15Mb/s，高级级类主主级是是20Mb/s，4:2:2是50Mb/s。丙）高1440级(H14L：High––1440Level)：是每每行1440有效像像素的的高清清晰度度格式式。除除高级级类外外，，最大大输出出码率率为60Mb/s，相应应的高高级类类输出出码率率为80Mb/s。丁）高级(HL)：输入是是每行行1920有效像像素的的高清清晰度度格式式，输输出最最大码码率为为80Mb/s，相应应的高高类输输出码码率为为100Mb/s。MPEG-2简化的的编、、解码码方框框图MPEG-2的编码码流程程是：：①输入入一个个I帧、P帧或B帧；②在B帧或P帧的情况下下进行运动动预测补偿偿；③进行88像素的DCT变换；④变换系数数被量化(量化级安排排依赖于可可用的比特特率)；⑤完成变字字长编码，，实现比特特率的缩减减。MPEG-2的解码流程程是MPEG-2的编码流程程的反过程程。以下分别示示出了MPEG-2编码器和解解码器的简简化方框图图。DCT

量化游程编码与VLC编码反DCT，反量化与帧贮存反馈I-画面

输出

(固定速率)之字形扫描参考画面信息4:2:0输入缓存+_P或B-画面

MPEG-2的编码器简化框图变字长解码反之字形扫描反量化反DCT运动补偿I-画面运动矢量帧贮存P或B-画面解码的像素

MPEG-2的解码器简化框图视频数字化化的应用中中发现的问问题1、视频信号号质量影响响，编码器器输出效果果。（数字字量化导致致的）2、数字化后后视频信号号受带外干干扰或电源源干扰等。。（抽样频频率和干扰扰源频率接接近导致的的）3、码率压缩缩太低，造造成画面出出现块效应应。（采样点数数太少，码码率1、图象信号号质量对数数字编解码码设备处理理信号的影影响存在某电视视台编码节节目的微分分增益较大大，在7-12%左右大于指指标要求的的低于5%的要求。微微分增益不不达标，将将影响信号号的色饱和和度，比如如影响某一一个颜色的的深浅程度度。色度延时也也大于指标标要求的20n秒的要求（（在更换不不同解码器器时测试结结果也不同同，20-40n秒左右。））色度延时时不达标，，影响信号号画面出现现彩色波纹纹。解码器输出出的接入增增益比标准准彩条信号号偏高，大大于30-40mv左右，可能能造成传输输画面比实实际画面发发亮。视频信号频频响差，5MHz以上信号电电平普遍低低3-4dB左右。视频电平群时延和增增益的频率率响应色同步载波波的响应多波群—测测试每个频频率包的响响应严格保证图图像信号标标准幅度是是节目播出出和传输质质量的最基基本的要求求。国家标标准规定了了全电视信信号幅度的的标准值是是1Vpp，当用l00／0／75／0彩条信号作作为基准信信号时，图图像信号峰峰值白电平平幅度为0.7V±±20mV；同步脉冲冲幅度为0.3Vpp±0.009，色同步脉脉冲幅度为为0.3Vppi±0.009；黑电平与与消隐电平平差为0-0.05V。标准的一行行视频图如如下：电视节目中中的视频幅幅度是随着着图像内容容而变化的的，图像亮亮度信号瞬瞬间峰值电电平不应超超过770mV，迭加色度度信号后的的图像信号号最高峰值值电平不应应超过800mV，底电平以以0~50mV为正常。在在PAL制电视信号号中，彩色色信号是调调制在频率率为4.43MHz的色副载波波上，而色色副载波又又是迭加在在亮度信号号上的，色色副载波的的幅度决定定彩色信号号的饱和度度。在不同同的亮度电电平上,色度信号的的幅度发生生变化，导导致色饱和和度发生变变化。有线数字电电视前端中中，将本地地节目基带带信号通过过编码器编编码后送入入有线数字字系统中。。通过一段段时间的测测试，在有有线数字系系统机顶盒盒解码时,发现某一套套本地节目目色彩失真真、发白、、图像没有有层次，怀怀疑编码器器工作不正正常，调整整编码器参参数和更换换编码器都都没有改善善。根据编码器器技术指标标要求,编码器复合合视音频输输入时，亮亮度幅度在在700mV±100mV（峰-峰值）、行行同步幅度度在300mV±40mV（峰-峰值）范围围内。通过对该节节目视频信信号进行波波形的监测测，发现该该视频信号号幅度为1.3Vp-p左右，同步步头电平在在0.2～0.25V，色同步信信号幅度也也较高，接接近于0.4V，电平动态态范围已严严重超出技技术标准要要求，为此此，通过调调整播出设设备中的视视频幅度，，消除了该该现象。以以下是产生生该现象原原因的具体体分析过程程。数字编码设设备对模拟拟基带信号号数字化处处理一般需需要完成采采样、量化化和编码三三个步骤。。根据ITU－RBT.601取样标准,亮度信号和和色差信号号分别采用用8比特量化即即256个量化级的的均匀量化化,之后进行线线性PCM编码。同时时，为了防防止过载切切割把视频频信号调整整在1V（峰--峰值），并并为了避免免图象信号号直流分量量变动所引引起的信号号动态范围围的扩大，，在量化前前进行了嵌嵌位。但是是，视频信信号因陡峭峭的前置滤滤波器和孔孔阑校正电电路造成的的过冲以及及嵌位过程程中的过度度过程等引引起的视频频电平的不不稳定性而而造成过载载，对256级量度信号号的量化级级16为黑电平，，量化级235代表白电平平，上下端端留下的量量化级作为为防止超越越动态范围围的保护带带。同时，，色差信号号也分配225个量化级,上下端分别别留15、16个量化级，，第128个量化级为为黑电平。。标准PAL100/0/75/0彩条信号波波形中，白白色信号的的亮度幅度度为700mv、色度幅度度为0mv；黄色信号号的亮度幅幅度为465mv、色度幅度度为470mv；青色信号号的亮度幅幅度为368mv、色度幅度度为664mv；依次类推推。256量化级中，，图象各种种颜色都规规定为各自自标准的量量化级。根根据ITU-RBT.601比色法标准准中指定的的100%颜色条分量量信号电平平,算出了相应应的